ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Графен обладает исключительной теплопроводностью, гидрофобностью, механической прочностью и высокой подвижностью носителей заряда, что делает его перспективным материалом для систем терморегулирования и теплообмена. Однако традиционные методы нанесения, такие как химическое осаждение из газовой фазы (CVD), часто являются дорогостоящими, технологически сложными и трудно масштабируемыми для крупногабаритных инженерных приложений. Настоящее исследование направлено на разработку простого, экономически эффективного и масштабируемого метода in situ напыления для нанесения графенового покрытия на медные подложки с применением ксилольной дисперсионной системы. Материалы и методы. Для получения стабильной распыляемой дисперсии графена использовали графен, синтезированный по модифицированному методу Хаммерса и диспергированный в смеси ксилола, изопропанола, эпоксидного связующего и суспендирующих агентов. Покрытие наносили на медные подложки в контролируемых условиях. Структурные и поверхностные характеристики графенового покрытия на медной подложке исследовали с помощью рентгенофазового анализа (РФА), рамановской спектроскопии, инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (ИК-Фурье) и растровой электронной микроскопии (РЭМ). Толщина слоя графена и межплоскостное расстояние оценивались с использованием закона Брэгга и уравнения Шеррера. Результаты и обсуждение. Рентгенофазовый анализ (РФА) подтвердил формирование малослойного графена с межплоскостным расстоянием 3,37 Å и расчетной толщиной, соответствующей приблизительно 5-6 слоям графена. Рамановская спектроскопия выявила характерные D-, G- и 2D-полосы, подтверждающие успешное нанесение графенового покрытия на медную подложку. Отношение I_D/I_G снизилось с 2,1 для исходного графенового порошка до 0,85 после нанесения покрытия, что указывает на преимущественное осаждение лучше диспергированных графеновых листов. ИК-Фурье-анализ показал наличие межфазных взаимодействий Cu–O–C между графеном и медью. Данные РЭМ выявили равномерно распределенные морщинистые графеновые листы, образующие взаимосвязанные проводящие пути по поверхности подложки. Кристаллографическая структура меди осталась неизменной после нанесения покрытия, вторичные фазы не обнаружены. Заключение. Разработанный метод напыления с использованием ксилольной дисперсии представляет собой практичный и масштабируемый способ нанесения графенового покрытия на медные подложки. Полученное покрытие продемонстрировало межплоскостное расстояние 3,37 Å, приблизительно 5-6 графеновых слоев, характерные рамановские сигнатуры графена и однородную морфологию поверхности. Результаты настоящей работы подтверждают потенциал графеновых покрытий на медных подложках для применения в системах терморегулирования, включая конденсаторы, испарители, теплообменники с фазовым переходом и высокоэффективные теплообменные поверхности.

1. A comprehensive review of methods of heat transfer enhancement in shell and tube heat exchangers / S.A. Marzouk, M.M. Abou Al-Sood, E.M.S. El-Said, M.M. Younes, M.K. El-Fakharany // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. – 2023. – Vol. 148. – P. 7539–7578.

2. Pungaiya S., Kailasanathan C. A review of surface coating technology to increase the heat transfer // International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research. – 2018. – Vol. 7 (5). – P. 458–465.

3. Recent advance on graphene in heat transfer enhancement of composites / C. Liu, M. Chen, W. Yu, Y. He // ES Energy & Environment. – 2018. – Vol. 2. – P. 31–42. – URL: http://www.espublisher.com/journals/articledetails/72/ (accessed: 11.08.2026).

4. Electric field effect in atomically thin carbon films / K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov // Science. – 2004. – Vol. 306 (5696). – P. 666–669.

5. Superior thermal conductivity of single-layer grapheme / A.A. Balandin, S. Ghosh, W. Bao, I. Calizo, D. Teweldebrhan, F. Miao, C.N. Lau // Nano Letters. – 2008. – Vol. 8 (3). – P. 902–907.

6. Structural evolution and thermal conductivity of flexible graphite films prepared by carboxylic graphene/polyimide / L. Ma, Y. Wang, X. Xu, Y. Wang, C. Wang // Ceramics International. – 2021. – Vol. 47 (1). – P. 1076–1085.

7. Polyacrylonitrile coupled graphite oxide film with improved heat dissipation ability / K. Wang, M. Li, J. Zhang, H. Lu // Carbon. – 2019. – Vol. 144. – P. 249–258.

8. Dimensional crossover of thermal transport in few-layer grapheme / S. Ghosh, W. Bao, D.L. Nika, S. Subrina, E.P. Pokatilov, C.N. Lau, A.A. Balandin // Nature Materials. – 2010. – Vol. 9 (7). – P. 555–558.

9. The unexpected thermal conductivity from graphene disk, carbon nanocone to carbon nanotube / D. Ma, H. Ding, X. Wang, N. Yang, X. Zhang // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2017. – Vol. 108. – P. 940–944.

10. Ghasemi H., Rajabpour A., Akbarzadeh A.H. Tuning thermal conductivity of porous graphene by pore topology engineering: Comparison of non-equilibrium molecular dynamics and finite element study // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018. – Vol. 123. – P. 261–271.

11. Subrina S., Kotchetkov D., Balandin A.A. Heat removal in silicon-on-insulator integrated circuits with graphene lateral heat spreaders // IEEE Electron Device Letters. – 2009. – Vol. 30 (12). – P. 1281–1283.

12. Graphene quilts for thermal management of high-power GaN transistors / Z. Yan, G. Liu, J.M. Khan, A.A. Balandin // Nature Communications. – 2012. – Vol. 3. – P. 827.

13. Thermal conductivity of graphene laminate / H. Malekpour, K.-H. Chang, J.-C. Chen, C.-Y. Lu, D.L. Nika, K.S. Novoselov, A.A. Balandin // Nano Letters. – 2014. – Vol. 14 (9). – P. 5155–5161.

14. Shahil K.M.F., Balandin A.A. Thermal properties of graphene and multilayer graphene: Applications in thermal interface materials // Solid State Communications. – 2012. – Vol. 152 (15). – P. 1331–1340.

15. Persson B.N.J., Ueba H. Heat transfer between graphene and amorphous SiO? // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2010. – Vol. 22 (46). – DOI: 10.1088/0953-8984/22/46/462201.

16. Effects of nanoparticle deposition on surface wettability influencing boiling heat transfer in nanofluids / S.J. Kim, I.C. Bang, J. Buongiorno, L.W. Hu // Applied Physics Letters. – 2006. – Vol. 89 (15).

17. Enhanced evaporation strength through fast water permeation in graphene-oxide deposition / W. Li Tong, W.-J. Ong, S.-P. Chai, M.K. Tan, Y. Mun Hung // Scientific Reports. – 2015. – Vol. 5 (1).

18. A novel role of three-dimensional graphene foam to prevent heater failure during boiling / H.S. Ahn, J.M. Kim, C. Park, J.-W. Jang, J.S. Lee, H. Kim, M. Kaviany, M.H. Kim // Scientific Reports. – 2013. – Vol. 3. – P. 1960.

19. Boiling characteristics on the reduced graphene oxide films / H.S. Ahn, J.M. Kim,, J.M. Kim, S.C. Park, K. Hwang, H.J. Jo, T. Kim, D.W. Jerng, M. Kaviany, M.H. Kim // Experimental Thermal and Fluid Science. – 2015. – Vol. 60. – P. 361–366.

20. Chang H., Wu H. Graphene-based nanomaterials: Synthesis, properties, and optical and optoelectronic applications // Advanced Functional Materials. – 2013. – Vol. 23 (16). – P. 1984–1997.

21. Graphene-based smart materials / X. Yu, H. Cheng, M. Zhang, Y. Zhao, L. Qu, G. Shi // Nature Reviews Materials. – 2017. – Vol. 2 (9). – P. 17046.

22. Sun Z., Chang H. Graphene and graphene-like two-dimensional materials in photodetection: Mechanisms and methodology // ACS Nano. – 2014. – Vol. 8 (5). – P. 4133–4156.

23. Renteria J.D., Nika D.L., Balandin A.A. Graphene thermal properties: Applications in thermal management and energy storage // Applied Sciences. – 2014. – Vol. 4. – P. 525–547.

24. Schrader M.E. Wettability of clean metal surfaces // Journal of Colloid and Interface Science. – 1984. – Vol. 100 (2). – P. 372–380.

25. Dropwise condensation studies on multiple scales / B.S. Sikarwar, S. Khandekar, S. Agrawal, S. Kumar, K. Muralidhar // Heat Transfer Engineering. – 2012. – Vol. 33 (4–5). – P. 301–341.

26. Stable dropwise condensation for enhancing heat transfer via the initiated chemical vapor deposition (iCVD) of grafted polymer films / A.T. Paxson, J.L. Yagüe, K.K. Gleason, K.K. Varanasi // Advanced Materials. – 2014. – Vol. 26. – P. 418–423.

27. Dropwise condensation over superhydrophobic aluminium surfaces / R. Parin, D. Del Col, S. Bortolin, A. Martucci // Journal of Physics: Conference Series. – 2016. – Vol. 745. – P. 032134.

28. Raj R., Maroo S.C., Wang E.N. Wettability of grapheme // Nano Letters. – 2013. – Vol. 13. – P. 1509–1515.

29. Wetting transparency of grapheme / J. Rafiee, X. Mi, H. Gullapalli, A.V. Thomas, F. Yavari, Y. Shi, P.M. Ajayan, N.A. Koratkar // Nature Materials. – 2012. – Vol. 11. – P. 217–222.

30. Graphene drape minimizes the pinning and hysteresis of water drops on nanotextured rough surfaces / E. Singh, A.V. Thomas, R. Mukherjee, X. Mi, F. Houshmand, Y. Peles, Y. Shi, N. Koratkar // ACS Nano. – 2013. – Vol. 7 (4). – P. 3512–3521.

31. Synthesis and characterization of graphene thin films by chemical reduction of exfoliated and intercalated graphite oxide / F.T. Thema, M.J. Moloto, E.D. Dikio, N.N. Nyangiwe, L. Kotsedi, M. Maaza, M. Khenfouch // Journal of Chemistry. – 2013. – Vol. 1. – P. 150536.

32. Edwards R.S., Coleman K.S. Graphene synthesis: Relationship to applications // Nanoscale. – 2013. – Vol. 5. – P. 38–51.

33. Graphene and graphene oxide: Synthesis, properties, and applications / Y. Zhu, S. Murali, W. Cai, X. Li, J.W. Suk, J.R. Potts, R.S. Ruoff // Advanced Materials. – 2010. – Vol. 22. – P. 3906–3924.

34. Perrozzi F., Prezioso S., Ottaviano L. Graphene oxide: From fundamentals to applications // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2015. – Vol. 27.

35. Highly hydrophobic and adhesive performance of graphene films / X. Zhang, S. Wan, J. Pu, L. Wang, X. Liu // Journal of Materials Chemistry. – 2011. – Vol. 21. – P. 12251–12258.

36. Jaikumar A., Kandlikar S.G., Gupta A. Pool boiling enhancement through graphene and graphene oxide coatings // Heat Transfer Engineering. – 2017. – Vol. 38. – P. 1274–1284.

37. A multiscale morphological insight into graphene-based coatings for pool boiling applications / A. Gupta, A. Jaikumar, S.G. Kandlikar, A. Rishi, A. Layman // Heat Transfer Engineering. – 2018. – Vol. 39. – P. 1331–1342.

38. Haque M.R., Betz A.R. Frost formation on aluminum and hydrophobic surfaces // Proceedings of the ASME 16th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels. – 2018. – DOI: 10.1115/ICNMM2018-7609.

39. Haque M.R., Das S.R., Betz A.R. Experimental investigation of condensation and freezing phenomena on hydrophilic and hydrophobic graphene coating // Applied Thermal Engineering. – 2019. – Vol. 160. – P. 113987.

40. Comparison on graphite, graphene oxide and reduced graphene oxide: Synthesis and characterization / N.M.S. Hidayah, W.-W. Liu, C.-W. Lai, N.Z. Noriman, C.-S. Khe, U. Hashim, H.C. Lee // AIP Conference Proceedings. – 2017. – Vol. 1892. – DOI: 10.1063/1.5005764.

41. Rodrigues W.L., Mattedi S., Abreu J.C.N. Vapor-liquid equilibria data for binary systems of ethylbenzene + xylene isomers at 100.65 kPa // Journal of Chemical and Engineering Data. – 2005. – Vol. 50 (4). – P. 1134–1138.

42. Zhou Y., Wu J., Lemmon E.W. Thermodynamic properties of o-xylene, m-xylene, p-xylene, and ethylbenzene // Journal of Physical and Chemical Reference Data. – 2012. – Vol. 41 (2).

43. Johnson D.W., Dobson B.P., Coleman K.S. A manufacturing perspective on graphene dispersions // Current Opinion in Colloid and Interface Science. – 2015. – Vol. 20. – P. 367–382.

44. Dispersions of non-covalently functionalized graphene with minimal stabilizer / D. Parviz, S. Das, H.S.T. Ahmed, F. Irin, S. Bhattacharia, M.J. Green // ACS Nano. – 2012. – Vol. 6 (10). – P. 8857–8867. – DOI: 10.1021/nn302784m.

45. Umadevi D., Panigrahi S., Sastry G.N. Noncovalent interaction of carbon nanostructures // Accounts of Chemical Research. – 2014. – Vol. 47 (8). – P. 2574–2581.

46. The role of non-covalent interactions and matrix viscosity on the dispersion and properties of LLDPE/MWCNT nanocomposites / A.A. Vasileiou, A. Docoslis, M. Kontopoulou, P. Xiang, Z. Ye // Polymer. – 2013. – Vol. 54 (19). – P. 5230–5240.

47. Nishio M. The CH/π hydrogen bond in chemistry // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2011. – Vol. 13 (31). – P. 13873–13900.

48. Hybrid density functional theory for π-stacking interactions: Application to benzenes, pyridines, and DNA bases / M.P. Waller, A. Robertazzi, J.A. Platts, D.E. Hibbs, P.A. Williams // Journal of Computational Chemistry. – 2006. – Vol. 27 (4). – P. 491–504.

49. The influence of xylene content on the dispersion of graphene in aromatic petroleum resin by solution mixing / Z. Liu, H. Gao, S. Wen, H. Lin, X. Chen, G. Chen // Applied Surface Science. – 2021. – Vol. 567. – P. 150718.

50. The chemical and structural analysis of graphene oxide with different degrees of oxidation / K. Krishnamoorthy, M. Veerapandian, K. Yun, S. Kim // Carbon. – 2012. – Vol. 53. – P. 38–49.

51. Graphene and graphene oxide: Synthesis, properties, and applications / Y. Zhu, S. Murali, W. Cai, X. Li, J.W. Suk, J.R. Potts, R.S. Ruoff // Advanced Materials. – 2010. – Vol. 22. – P. 3906–3924.

52. Chen D., Feng H., Li J. Graphene oxide: Preparation, functionalization, and electrochemical applications // Chemical Reviews. – 2012. – Vol. 112 (11). – P. 6027–6053.

53. Pei S., Cheng H.M. The reduction of graphene oxide // Carbon. – 2011. – Vol. 50 (9). – P. 3210–3228.

54. Narayan J., Bezborah K. Recent advances in the functionalization, substitutional doping and applications of graphene/graphene composite nanomaterials // RSC Advances. – 2024. – Vol. 14. – P. 13413–13444.

55. Laser-induced porous graphene films from commercial polymers / J. Lin, Z. Peng, Y. Liu, F. Ruiz-Zepeda, R. Ye, E.L.G. Samuel, M.J. Yacaman, B.I. Yakobson, J.M. Tour // Nature Communications. – 2014. – Vol. 5. – P. 1–12.

56. Ott A.K., Ferrari A.C. Raman spectroscopy of graphene and related materials // Encyclopedia of Condensed Matter Physics. – Elsevier, 2024. – P. V2:233–V2:247.

57. Scalable graphene coatings for enhanced condensation heat transfer / D.J. Preston, D.L. Mafra, N. Miljkovic, J. Kong, E.N. Wang // Nano Letters. – 2015. – Vol. 15 (5). – P. 2902–2909.